RANCANG BANGUN TURBIN ANGIN SUMBU VERTIKAL

UNTUK PENGISIAN BATERAI RADIO TRANSMITTER

TELEMETRY

TUGAS AKHIR

Diajukan Kepada

Universitas Muhammadiyah Malang

untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Teknik Mesin

OLEH :

MAS’UD FADCHUR ROCHMAN

201510120311056

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2019

ix

KATA PENGANTAR

Dengan mengucapkan syukur kehadirat Allah Subhanahu Wa Ta’alah

yaitu pemilik alam semesta dan dengan segala isinya. Atas rahmat-Nya dan

hidayah-Nya yang telah dicurahkan sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan

yang berjudul “RANCANG BANGUN TURBIN ANGIN SUMBU

VERTIKAL UNTUK PENGISIAN BATERAI RADIO TRANSMITTER

TELEMETRY”, guna memenuhi persyaratan untuk menyelesaikan program starta

1 (S1) pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah

Malang.

Tugas akhir ini tidak akan tersusun tanpa adanya bantuan dan dukungan

dari berbagai pihak dalam segi moril maupun materil. Oleh karena itu segala

ungkapan terima kasih dipersembahkan kepada:

1. Kedua orang tua saya, Bapak Rasikum dan Ibu Ngatinem yang selalu

memberikan doa, restu, semangat serta bantuan material bagi penulis dalam

menyelesaikan tugas akhir ini.

2. Bapak Ir. Trihono Sewoyo, MT. selaku dosen pembimbing I yang selalu

memberikan saran, nasehat, semangat, dan perbaikan selama penyusunan tugas

akhir ini.

3. Bapak Budiono, S.Si., MT. selaku dosen pembimbing II yang sangat

membantu didalam memberikan bimbingan serta arahan dalam menyelesaikan

tugas akhir.

4. Jajaran dosen dan staf Jurusan Teknik Mesin yang namanya tidak bisa

disebutkan satu persatu yang telah mengajar dan memberi bantuan kepada

penulis selama pendidikan di Universitas Muhammadiyah Malang.

5. Teman-teman bimbingan yang selalu memberikan saran dan dukungan didalam

penyusunan tugas akhir ini.

6. Keluarga besar Himpunan Mahasiswa Mesin (HMM) yang selalu memberikan

motivasi dan dukungan dalam penyelesaian tugas akhir ini.

7. Keluarga Besar IKAMA LUTIM (Ikatan Keluarga Mahasiswa Luwu Timur)

yang selalu memberikan bantuan, dukungan dan motivasi didalam penyusunan

tugas akhir ini.

x

Dalam tugas akhir ini, diharapkan semoga memberikan banyak manfaat

baik penulis sendiri ataupun bagi pembaca yang khususnya mahasiswa

Universitas Muhammadiyah Malang.

.

Malang, 19 Oktober 2019

Penulis

Mas’ud Fadchur R.

vii

ABSTRAK

Fadchur, Mas’ud. 2019. Rancang Bangun Turbin Angin Sumbu Vertikal untuk

Pengisian Baterai Radio Transmitter Telemetry. Tugas akhir, Jurusan

Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Malang.

Pembimbing: I. Ir. Trihono Sewoyo, MT., II. Budiono, S.Si., MT.

Kata Kunci: Turbin Angin, Baterai, Tegangan, Radio Transmitter Telemetry

Penggunaan teknologi wireless atau nirkabel banyak diaplikasikan pada berbagai produk

yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari, dalam pengoprasiannya membutuhkan

sumber energi listrik yang berasal dari baterai, namun jika digunakan secara terus-

menerus energi baterai akan habis oleh karena itu dibutuhkan sumber energi baru

terbarukan yang dapat melakukan pengisian pada baterai, salah satunya memanfaatkan

energi angin dengan menggunkan turbin angin. Penelitian ini merupakan salah satu

bagian dari perancangan anemometer akusisi data, dengan melakukan pengembangan

turbin angin sumbu vertikal untuk penyuplai energi pada radio transmitter telemetry yang

merupakan komponen penting pada anemomater akusisi data. Dalam penelitian ini baterai

dirancang mampu bertahan selama 168 jam untuk pengoprasian radio transmitter

telemetry dan rancang bangun turbin angin sumbu vertikal untuk pengisian energi pada

baterai. Dengan memilih baterai kering (accu) berkapasitas 12 V 5 Ah dengan beban alat

12 V 0,12 A, maka untuk bertahan selama 168 jam dibutuhkan 5 baterai dirangkai paralel.

Untuk sudu memakai tipe cup berjumlah 3 buah dan berdiameter 0,50 m. Data hasil

pengujian turbin angin dapat menjelaskan bahwa kecepatan angin berbanding lurus

dengan tegangan (V) yang dihasilkan, namun dalam pengujian ini tegangan yang

dihasilkan belum sesuai yang direncanakan, sehingga dilakukan pengujian pada generator

dan dengan menggunakan metode ekstrapolasi didapatkan kecepatan putar generator

sebesar 1016,91 rpm untuk mencapai tegangan 12 volt.

viii

ABSTRACT

Fadchur, Mas’ud. 2019. Design Of Vertical Axis Wind Turbine For Charging

Radio Transmtter Telemetry Battery. Tugas akhir, Jurusan Teknik Mesin,

Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Malang. Pembimbing: I. Ir.

Trihono Sewoyo, MT., II. Budiono, S.Si., MT.

Keyword : Wind Turbines, Battery, Voltage, Radio Transmitter Telemetry

The use of wireless technology is widely applied to a variety of products used in everyday

life, in its administration requires an electrical energy source that comes from batteries,

but if used continuously the battery energy will be depleted therefore new renewable

energy sources are needed that can be charging the battery, one of which utilizes wind

energy by using wind turbines. This research is one part of the design of the data

acquisition anemometer, by developing a vertical axis wind turbine to supply energy to

the radio transmitter telemetry which is an important component in the data acquisition

anemometer. In this study the battery was designed to last 168 hours for the operation of

radio transmitter telemetry and the design of a vertical axis wind turbine for charging

energy in the battery. By choosing a 12 V 5 Ah dry battery (battery) with a 12 V 0.12 A

tool load, to last for 168 hours 5 parallel batteries are needed. For blades using 3 types of

cup and 0.50 m in diameter. Data from the wind turbine test results can explain that the

wind speed is directly proportional to the voltage (V) produced, but in this test the

resulting voltage is not as planned, so that the generator is tested and using the

extrapolation method the generator rotational speed is 1016.91 rpm to reach a 12 volt

voltage.

xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................... i

POSTER ....................................................................................................... ii

LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR ........................................... iii

LEMBAR ASISTENSI ............................................................................... iv

LEMBAR SURAT PERNYATAAN TIDAK PLAGIASI ....................... vi

ABSTRAK ................................................................................................... vii

ABSTRACT ................................................................................................. viii

KATA PENGANTAR ................................................................................. ix

DAFTAR ISI ................................................................................................ xi

DAFTAR GAMBAR ................................................................................... xiv

DAFTAR TABEL ....................................................................................... xvi

DAFTAR GRAFIK ..................................................................................... xvii

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................ 1

1.1 Latar Belakang Masalah ........................................................ 1

1.2 Rumusan Masalah ................................................................. 5

1.3 Tujuan Penelitian .................................................................. 5

1.4 Batasan Masalah .................................................................... 6

1.5 Manfaat Penelitian ................................................................ 6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................. 7

2.1 Penelitian Terdahulu ............................................................. 7

2.2 Angin ..................................................................................... 10

2.3 Kecepatan Angin ................................................................... 10

2.4 Kerugian Yang Ditimbulkan Angin ....................................... 15

2.5 Turbin Angin ......................................................................... 16

2.5.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal ................................. 16

2.5.1.1 Kelebihan Turbin Angin Sumbu Horizontal .... 17

xii

2.5.1.2 Kekurangan Turbin Angin Sumbu Horizontal . 17

2.5.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal ..................................... 18

2.5.2.1 Kelebihan Turbin Angin Sumbu Vertikal ........ 21

2.5.2.2 Kekurangan Turbin Angin Sumbu Vertikal ..... 21

2.6 Pemilihan Tempat ................................................................. 23

2.7 Bagian-bagian Turbin Angin Sumbu Vertikal ...................... 24

2.7.1 Rotor ............................................................................. 24

2.7.1.1 Sudu (blade) ..................................................... 24

2.7.1.2 Poros ................................................................. 25

2.7.2 Generator ...................................................................... 25

2.7.3 Charger Controller ...................................................... 27

2.7.4 Penyimpan Energi ........................................................ 28

2.8 Perencanaan Turbin Angin Sumbu Vertikal ......................... 28

2.8.1 Perhitungan Luas Rotor ............................................... 28

2.8.2 Penentuan Daya Baterai ............................................... 29

2.8.3 Daya Yang Dihasilkan Generator ................................ 29

2.8.4 Daya Yang Dihasilkan Turbin ..................................... 30

2.8.5 Performance Coefisien Turbin ..................................... 30

2.8.6 Tip Speed Ratio ............................................................ 31

2.8.7 Gaya Dorong ................................................................ 32

2.8.8 Kecepatan Linear Ujung Sudu (Tip Velocity) .............. 32

2.8.9 Kecepatan Sudut (Angular Velocity) ............................ 32

2.8.10 Tegangan Bending Pada Sudu (σb) ............................ 32

2.8.11 Perhitungan Dimensi Poros Turbin ............................ 33

2.9 Metode Perancangan ............................................................. 33

BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN .................................... 37

3.1 Perancanagan Alat ................................................................. 37

3.1.1 Daftar Persyaratan Desain ............................................ 37

3.1.2 Identifikasi Masalah ..................................................... 40

3.1.3 Struktur Fungsi ............................................................. 42

3.1.4 Prinsip Kerja ................................................................ 43

3.1.5 Kombinasi dan Susunan Konsep .................................. 44

xiii

3.1.6 Pemilihan Konsep Varian ............................................ 46

3.2 Desain Perangkat Keras ........................................................ 46

3.2.1 Cup Penangkap Angin ................................................. 48

3.2.2 Bentuk Sudu Turbin ..................................................... 48

3.2.3 Rumah Poros ................................................................ 49

3.2.4 Penutup Body ............................................................... 50

3.2.5 Body Turbin .................................................................. 50

3.3 Proses Pengerjaan .................................................................. 51

3.3.1 Alat yang digunakan .................................................... 51

3.3.2 Bahan yang digunakan ................................................. 51

3.3.3 Proses Pengerjaan ........................................................ 52

3.3.4 Proses Finishing ........................................................... 56

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ............................................... 58

4.1 Konsep Desain ...................................................................... 58

4.2 Penentuan Daya Alat ............................................................. 58

4.3 Penentuan Kebutuhan Baterai ............................................... 61

4.4 Penentuan Daya Generator .................................................... 62

4.5 Perhitungan Dimensi Sudu Turbin ........................................ 63

4.5.1 Kecepatan Linear Ujung Sudu (Tip Velocity) .............. 64

4.5.2 Menghitung Jari-Jari Sudu (blade) .............................. 65

4.5.3 Gaya Dorong ................................................................ 66

4.5.4 Menghitung Tegangan Bending Sudu (σb) .................. 66

4.5.5 Perhitungan Coefesien Performace (CP) Turbin ......... 68

4.5.6 Perhitungan Dimensi Poros Turbin .............................. 69

4.6 Perhitungan Daya Poros Turbin ............................................ 72

4.7 Daya yang Dihasilkan Generator .......................................... 73

4.8 Pengujian Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe Cup ............. 74

BAB V PENUTUP ....................................................................................... 80

5.1 Kesimpulan ........................................................................... 80

5.2 Saran ...................................................................................... 81

xiv

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 83

LAMPIRAN

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Turbin Angin Vertikal Sudu Helix ............................................. 2

Gambar 1.2 Rangkain Pengisian Daya Pada Baterai Untuk Pengoprasian

Anemometer Akusisi Data ............................................................................. 4

Gambar 2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal................................................ 17

Gambar 2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal ................................................... 19

Gambar 2.3 Turbin Darrieus .......................................................................... 20

Gambar 2.4 Turbin Savoinus ......................................................................... 21

Gambar 2.5 Bentuk Sudu Tipe Cup ............................................................... 25

Gambar 2.6 Bentuk Poros .............................................................................. 25

Gambar 2.7 Generator .................................................................................... 26

Gambar 2.8 Kaidah Tangan Kanan Fleming.................................................. 27

Gambar 2.9 Charger Controller .................................................................... 27

Gambar 2.10 Baterai Kering (accu) ............................................................... 28

Gambar 2.11 Diagram Alir Perancangan Menurut Pahl And Beitz ............... 36

Gambar 3.1 Diagram Blok Fungsi Keseluruhan ............................................ 42

Gambar 3.2 Diagram Blok Fungsi ................................................................. 43

Gambar 3.3 Prinsip kerja Turbin Angin Sumbu Vertikal .............................. 44

Gambar 3.4 Layout Isometri Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe Cup ......... 46

Gambar 3.5 Bagian-bagian Turbin Angin Sumbu Vertikal tipe Cup............. 47

Gambar 3.6 Cup Penangkap Angin ................................................................ 48

Gambar 3.7 Sudu Turbin angin tipe Cup ....................................................... 49

Gambar 3.8 Rumah Poros .............................................................................. 49

Gambar 3.9 Penutup Body ............................................................................. 50

Gambar 3.10 Body Turbin ............................................................................. 50

Gambar 3.11 Cup Penangkap Angin .............................................................. 53

Gambar 3.12 Sudu Turbin Angin Tipe Cup ................................................... 54

Gambar 3.13 Poros dan Generator ................................................................. 55

Gambar 3.14 Body Utama Turbin .................................................................. 56

Gambar 4.1 Pengukuran Arus ........................................................................ 59

Gambar 4.2 Pengukuran Tegangan ................................................................ 60

Gambar 4.3 Rangkaian Paralel Baterai .......................................................... 62

xvi

Gambar 4.4 Gaya Angin Terhadap Sudu ....................................................... 65

xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Skala Beaufort ................................................................................ 11

Tabel 3.1 Daftar Persyaratan Spesifikasi Desain ........................................... 37

Tabel 3.2 Kombinasi Sub-Fungsi yang Didasarkan pada Diagram Blok Sub-

Fungsi ............................................................................................................. 44

Tabel 4.1 Faktor Koreksi Berdasarkan Daya yang Akan Ditransmisikan ..... 70

Tabel 4.2 Data Kecepatan Angin Terendah yang dapat Memutar Tubin

Angin ............................................................................................................. 76

Tabel 4.3 Data Hasil Pengujian Turbin Angin ............................................... 77

Tabel 4.4 Data Pengujian Generator .............................................................. 78

xviii

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1 Pengujian Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe Cup ..................... 77

Grafik 4.2 Pengujian Generator ..................................................................... 79

83

DAFTAR PUSTAKA

Amsor dan Iskandar R, “Performasi Turbin Angin Poros Vertikal Tipe Savonius 2

Tingkat untuk Pengisian Baterai sebagai Penerangan Lampu Perahu

Nelayan Kota Padang”, Universitas Andalas, Padang 2017.

Anwar S,”Rancang Bangun Pembangkit Litrik Tenaga Angin pada Stasiun

Pengisian ACCU Mobil Listrik”, Tugas Akhir Diploma Elektronika ITS,

2008.

Aytanto F, I Made M, dan Made N,”Pengaruh Kecepatan Angin dan Variasi

Jumlah Sudu terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Poros Horizontal”, Teknik

Mesin Universitas Mataram, 2013.

Budiono,”Perancangan Perangkat Pengisian Battery Dengan Menggunakan

Solar Panel”, Pusat Penelitian UMM, 2005.

Chairany dan Sugiyanto, “Rancang Bangun Turbin Angin Sumbu Vertikal Tipe

Savonius untuk Sistem Penerangan Perahu Nelayan”, Diploma III Teknik

Mesin UGM.

Hau E, “Wind Turbines Fundamentals, Technologies, Application, and

Economics”, Edisi Kedua, Germany: Springer, 2006.

Laporan Kementrian Energi Dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia

(ESDM) RI tahun 2017.

Putranto A, Andika P, dan Arief Z,”Rancang Bangun Turbin Angin Vertikal untuk

Penerangan Rumah Tangga”, Tugas Akhir Diploma III Teknik Mesin

UNDIP, 2011.

Sewoyo T,”Perancangan Turbin Angin dengan Sudu Tipe Helix untuk Pengisian

Battery”, Laporan penelitian, Puskareka FT-UMM, 2008.

Sularso dan Kiyokatsu Suga,”Dasar Perancangan dan Pemilihan Elemen Mesin”,

Cetakan kesebelas (Hal. 6-10), 2004.

Tim peneliti Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied

Sciences (SEAS)